makromolekyler är jättar i atomvärlden. Prefixet ”Makro” betyder ” mycket stor skala.”Faktum är att makromolekyler dvärgar andra molekyler som är involverade i livets kemi, såsom bordsalt (NaCl) eller vatten (H2O). Makromolekyler består vanligtvis av minst 1000 atomer, med upprepade strukturer av mindre komponenter. Polymerisationsprocessen kopplar samman de mindre komponenterna (monomerer). Det är graden av upprepning som leder till stor storlek.

det är den stora storleken på makromolekyler som dikterar deras betydelse i levande system. De är grunden för komplext cellulärt liv. Makromolekyler är inte i sig stabila. De skapas inte i frånvaro av liv, och de kan inte heller bestå länge utanför levande system.

i huvudsak är en makromolekyl en enda molekyl som består av många kovalent länkade subenhetsmolekyler. En polymer är en enda molekyl som består av liknande monomerer. I fysiologi är de fyra stora makromolekylerna:

1. nukleinsyror-tillverkade av nukleotidunderenheter kopplade genom deras fosfatryggrad.
2. proteiner-tillverkade av aminosyrasubenheter kopplade mellan kol och kväve.
3. lipider-vanligtvis stora molekyler som består av icke-polära bindningar, vilket gör dem hydrofoba. Vissa lipider innehåller kovalent bundna polära grupper, som kan fungera som fästpunkter för flera hydrofoba lipidmolekyler.
4. kolhydrater-har kovalent kopplade sockergrupper.

hittills har vi diskuterat de viktigaste elementen och typerna av bindningar som är viktiga för en cells funktion. Tillsammans definierar dessa element och bindningar de viktigaste egenskaperna hos de fyra klasserna av makromolekyler som utgör en cell: kolhydrater, proteiner, lipider och nukleinsyror. I den här modulen kommer vi att utforska dessa makromolekyler.

kolhydrater, proteiner och nukleinsyror är alla exempel på polymerer. Polymerer är mycket stora molekyler som består av mindre enheter förenade med kovalenta bindningar med en gemensam uppsättning kemiska reaktioner. Proteiner är linjära polymerer av aminosyror alla förenade med peptidbindningar. Polysackarider är kolhydraterna förenade genom glykosidbindningar i ibland ganska komplexa grenade strukturer. DNA och RNA är polymerer av nukleinsyror kopplade av fosfodiesterbindningar. Denna modul innehåller en diskussion om strukturerna för dessa organiska makromolekyler.

kolhydrater

kolhydrater

den enklaste av makromolekylerna är kolhydrater, även kallade sackarider. Namnet är beskrivande för karaktären hos denna klass av molekyler, eftersom de alla har den allmänna formeln för ett hydratiserat kol.

(C(H2O))n

detta representerar ett 2:1-förhållande mellan väte och syreatomer(som i vatten)men i detta fall är de fästa vid en kol-ryggrad. kolhydraternas beståndsdelar kan konfigureras i praktiskt taget oändliga konfigurationer, så kolhydratmolekyler kommer i en mängd olika former och storlekar.

monosackarider är de mest grundläggande enheterna av kolhydrater. Dessa är enkla sockerarter, inklusive glukos, fruktos och andra. De innehåller mellan tre och sju kolatomer, har en söt smak och används av kroppen för energi.

polysackarider är långa polymerer av monosackaridsocker som är kovalent bundna ihop. Polysackarider används ofta för att lagra monosackaridens energi. Dessa inkluderar stärkelse (i växter) och glykogen (hos människor och djur). Polysackarider kan också användas för struktur i växter och andra lägre organismer. Till exempel är cellulosa en stor polysackarid som finns i växtcellväggar. Människor kan inte smälta cellulosa i monosackarider, men det är viktigt i våra dieter som ”grovfoder” eller ”olöslig fiber.”Kolhydrater är också kritiska komponenter i ryggraden i DNA, med en monosackarid som finns i varje nukleotid. Med 3 miljarder DNA-nukleotider per cell är det mycket monosackarider i kroppen.

polysackarider kan konjugeras med andra makromolekyler. Till exempel kan komplexa kolhydrater kopplas till proteiner eller lipider för att bilda glykoproteiner respektive glykolipider. Mycket olika strukturer kan tillverkas av några monosackarider ordnade i olika mönster och med olika bindningar. Denna flexibilitet i struktur kan därför användas för identifiering av enskilda celltyper, eftersom strukturen för varje celltyp är unik. Mer än hälften av proteinerna i kroppen, som vi kommer att diskutera senare i denna modul, har glykosyleringar eller kolhydratmodifieringar. Utsidan av celler är täckta av kolhydrater från modifieringar av lipider som utgör membranet; vi kommer att täcka lipider i det sista kapitlet i detta avsnitt.

kolhydrater är bäst kända som energilagringsmolekyler. Deras primära funktion är som en energikälla. Celler omvandlar lätt kolhydrater till användbar energi. Du kommer ihåg att molekyler är en samling atomer kopplade av kovalenta bindningar. I allmänhet kan enstaka kovalenta bindningar representeras som att ha cirka 100 kcal/mol energi associerad med kraften som håller de två atomerna ihop. Bordsocker, eller sackaros, är det mest kända kolhydratet. Det vanligaste kolhydratet i naturen är glukos, som har den allmänna formeln

(C(H2O))6

och som är en vanlig energikälla för många levande organismer. Om en mol glukos metaboliseras fullständigt (”bränns”) för sin energi i en cell, har den följande kemiska reaktion:

(C(H2O))6 + 6 O2 <> 6 CO2 + 6 H2O + 673 kcal (energi)

medan den totala reaktionen representerar en kopplad oxidations-/reduktionsprocess, i balans innebär denna process brytning av fem kol-till-kolbindningar per glukosmolekyl, med frisättning av 673 kcal/mol energi.

men kroppen behöver inte dietkolhydrater för energi. Proteiner och fetter kan tillgodose kroppens behov, och kroppen kan omvandla molekyler till kolhydrater som behövs för energi och andra cellulära funktioner. Men kolhydrater kräver minimal bearbetning för användning som energi. Till exempel omvandlar en enkel enzymatisk reaktion sackaros till blodsocker, som kan användas direkt som en källa till cellulär energi. Tricket för cellen är att omvandla 673 kcal/mol energi till en användbar form så att den kan fungera för cellen eller organismen. Kolhydratets metaboliska öde kommer att diskuteras senare i kursen.

en andra funktion som utförs av kolhydrater är struktur. Till exempel är cellulosa en linjär polymer av glukos som interagerar med andra cellulosapolymerer för att bilda fibrer som interagerar för att bilda den grundläggande strukturen hos cellväggen hos växter. Dessa cellulosapolymerer är osmältbara och utgör grovfoder.

en tredje funktion av kolhydrater är celligenkänning och signalering. Detta sker vanligtvis med kolhydrater konjugerade till andra molekyler, såsom de som finns i glykoproteiner (kolhydrater kopplade till proteiner) och glykolipider (kolhydrater kopplade till lipider). Eftersom ett mycket stort antal strukturer kan tillverkas av några monosackarider (enkla kolhydrater), kan ett mycket stort antal olika strukturer också tillverkas av några enkla kolhydrater, vilket kommer att ses senare. Detta stora antal olika strukturer kan därför användas för identifiering av enskilda celltyper.

Kolhydratmodifieringar (kallade glykosyleringar) finns på lipidmembran och proteiner för specialiserad funktion och igenkänning. Unika kolhydratformationer möjliggör ännu mer specificitet för ett protein, utöver bara aminosyrakoden. Cellens yttre membran är prickat med kolhydratkedjor, som skiljer sig beroende på celltyp. Dessa kolhydratglykosyleringar ger en” signatur ” av cellen och kan också fungera som en signal. Således är glykosyleringar viktiga i immunsvar och allmän cell-till-cell-kommunikation.

proteiner

efter nukleinsyror är proteiner de viktigaste makromolekylerna. Strukturellt är proteiner de mest komplexa makromolekylerna. Ett protein är en linjär molekyl som består av aminosyror. Tjugo olika aminosyror finns i proteiner. Sekvensen av ett protein aminosyror bestäms av sekvensen av baser i DNA som kodar för syntesen av detta protein. En enda proteinmolekyl kan bestå av hundratals aminosyror. Denna sekvens av aminosyror är ett protein primära struktur. Proteinets storlek, form och reaktiva egenskaper beror på antal, typ och sekvens av aminosyror. Aminosyrakedjan kan förbli i sin primära linjära struktur, men ofta viks den upp och i sig själv för att bilda en form. Denna sekundära struktur bildas från lokaliserade interaktioner (vätebindning) av aminosyrasidokedjor. Dessa inkluderar alfa-helix-och beta-arkstrukturer. Alfa-helixen dominerar i hemoglobin, vilket underlättar transport av syre i blod. Sekundära strukturer integreras tillsammans med vridningar och kinks i ett tredimensionellt protein. Denna funktionella form kallas proteinets tertiära struktur. En ytterligare nivå av organisation resulterar när flera separata proteiner kombineras för att bilda ett proteinkomplex—kallad kvaternär struktur.

proteiner utför många viktiga funktioner i cellen. Många proteiner fungerar som enzymer, som styr graden av kemiska reaktioner, och därmed cellernas respons på yttre stimuli. Ett enzym kan spola framåt en reaktion som skulle ta miljontals år under normala förhållanden och få det att hända på bara några millisekunder. Enzymer är viktiga vid DNA-replikation, transkription och reparation. Matsmältningsprocesser underlättas också till stor del av enzymer, som bryter ner molekyler som annars skulle vara för stora för att absorberas av tarmarna. Enzymatiska proteiner spelar också en roll i muskelkontraktioner.

andra proteiner är viktiga vid cellsignalering och celligenkänning. Receptorproteiner känner igen ämnen som främmande och initierar ett immunsvar. Genom cellsignalering förmedlar proteiner celltillväxt och differentiering under utveckling. Flera viktiga proteiner ger mekaniskt stöd för cellen, byggnadsställningar som hjälper cellen att behålla sin form. Andra proteiner utgör mycket av kroppens bindväv och strukturer som hår och naglar.

för proteinproduktion i celler behöver kroppen aminosyror, som vi intar. Det verkar lite ineffektivt, men vi äter proteiner, bryter ner dem i aminosyror, fördelar aminosyrorna inuti kroppen och bygger sedan upp nya proteiner. Våra celler kan syntetisera vissa aminosyror från liknande, men essentiella aminosyror måste erhållas från kosten, eftersom de inte kan syntetiseras. Brist på protein i kosten resulterar i undernäringssjukdomar som kwashiorkor, vilket är vanligt i utvecklingsländer. I fall av kwashiorkor orsakar proteinbrist ödem (svullnad) vilket leder till en utspänd buk. Proteiner metaboliseras så småningom till ammoniak och urea, som utsöndras av njurarna. Njursjukdom kan orsaka att dessa avfallsprodukter ackumuleras i kroppen, vilket gör att någon blir mycket sjuk, vilket i slutändan leder till döden. En lågprotein diet kan hjälpa dem vars njurar har en låg funktionsnivå.

Till skillnad från nukleinsyror, som måste förbli oförändrade i kroppen för organismens liv, är proteiner avsedda att vara övergående—de produceras, utför sina funktioner och återvinns sedan. Proteiner är också lätt denatureras (utspelas av sekundära och tertiära strukturer) genom extrema värme eller pH. när du koka ett ägg, äggula och vita stelna och ändra färg. När du lagar kött ändrar köttet färg och blir fast. Dessa förändringar uppstår eftersom de ingående proteinerna denaturerar, förändrar vävnadens egenskaper.